ES2953295T3 - Módulo compresor - Google Patents

Módulo compresor Download PDF

Info

Publication number
ES2953295T3
ES2953295T3 ES19790716T ES19790716T ES2953295T3 ES 2953295 T3 ES2953295 T3 ES 2953295T3 ES 19790716 T ES19790716 T ES 19790716T ES 19790716 T ES19790716 T ES 19790716T ES 2953295 T3 ES2953295 T3 ES 2953295T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
working fluid
compressor
heat
heat exchanger
module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES19790716T
Other languages
English (en)
Inventor
James Spain
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BAE Systems PLC
Original Assignee
BAE Systems PLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BAE Systems PLC filed Critical BAE Systems PLC
Application granted granted Critical
Publication of ES2953295T3 publication Critical patent/ES2953295T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/06—Fluid supply conduits to nozzles or the like
    • F01D9/065—Fluid supply or removal conduits traversing the working fluid flow, e.g. for lubrication-, cooling-, or sealing fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/16—Control of working fluid flow
    • F02C9/18—Control of working fluid flow by bleeding, bypassing or acting on variable working fluid interconnections between turbines or compressors or their stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/10—Heating, e.g. warming-up before starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/041—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/10—Closed cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/003—Gas-turbine plants with heaters between turbine stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F02C7/14—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel
    • F02C7/141—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid
    • F02C7/143—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid before or between the compressor stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K3/00—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan
    • F02K3/08—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan with supplementary heating of the working fluid; Control thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K3/00—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan
    • F02K3/08—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan with supplementary heating of the working fluid; Control thereof
    • F02K3/105—Heating the by-pass flow
    • F02K3/115—Heating the by-pass flow by means of indirect heat exchange
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/06—Cooling; Heating; Prevention of freezing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/08—Cooling; Heating; Preventing freezing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C15/00—Component parts, details or accessories of machines, pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C2/00 - F04C14/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/04—Heating; Cooling; Heat insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/002—Axial flow fans
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/5826—Cooling at least part of the working fluid in a heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/211—Heat transfer, e.g. cooling by intercooling, e.g. during a compression cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/213—Heat transfer, e.g. cooling by the provision of a heat exchanger within the cooling circuit
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Compressor (AREA)

Abstract

Un módulo compresor (200) en el que el módulo compresor (200) define un conducto de flujo de fluido de trabajo (60) entre una entrada del módulo compresor (210) y una salida del módulo compresor (214). El módulo compresor comprende: un primer intercambiador de calor (37) y una etapa de rotor compresor (24), cada uno de ellos dispuesto en el conducto de flujo de fluido de trabajo (60). El primer intercambiador de calor (37) está dispuesto en serie de flujo entre la entrada del módulo compresor (210) y la etapa del rotor del compresor (24). La etapa del compresor (24) se proporciona en serie de flujo entre el primer intercambiador de calor (37) y la salida del módulo del compresor (214). El primer intercambiador de calor (37) está definido por una pared (226) que tiene una superficie externa (282) que está ubicada en el conducto de flujo de fluido de trabajo (60). Se proporciona una unidad de disipador de calor (236) que define una porción (240) del conducto de flujo de fluido de trabajo (60) en serie de flujo entre la etapa del rotor del compresor (24) y la salida del módulo del compresor (214). El primer intercambiador de calor (37) está en comunicación de transferencia de calor con la unidad disipadora de calor (236). El primer intercambiador de calor (37) está configurado de manera que sea operable para transferir calor a la unidad de disipador de calor (236) desde el fluido de trabajo (250) que pasa por el primer intercambiador de calor (37). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Módulo compresor
La presente descripción se refiere a un módulo compresor.
En particular, la descripción se refiere a un módulo compresor para un aparato termodinámico, por ejemplo, un motor térmico o una bomba de calor.
Antecedentes
Los motores térmicos (por ejemplo, turbinas de gas) con regeneradores se han conocido durante un período de tiempo significativo. Puede proporcionarse un intercambiador de calor para transferir calor desde el gas de escape que sale de una turbina al aire comprimido que sale del compresor, reduciendo la entrada de calor requerida y mejorando la eficiencia del sistema.
En algunos casos se han diseñado máquinas que transfieren calor del compresor a las últimas etapas de la turbina. Aunque no es apropiado para todas las aplicaciones, se puede lograr calor o enfriamiento entre las etapas del rotor mezclando flujos de gas de trabajo, aunque esto está limitado por la disponibilidad de fluido de trabajo disponible aguas abajo del compresor y/o turbina. Alternativamente, la transferencia de calor puede lograrse pasando el fluido de trabajo a través de un intercambiador de calor externo a la turbina y/o el compresor, lo que aumenta el tamaño y la complejidad del aparato. Todos estos métodos están destinados a añadir calor adicional al fluido de trabajo expandido aguas abajo de una etapa del rotor de turbina, o retirar calor del fluido de trabajo comprimido aguas abajo de la etapa del rotor del compresor. Sin embargo, todos los sistemas tienen el mérito de estar limitados a la disponibilidad de fluido de trabajo que pasa a través del aparato, o requieren un aparato voluminoso (por ejemplo, intercambiadores de calor externos a la turbina y/o compresor) que ocupan una cantidad indeseable de espacio e introducen inherentemente pérdidas al sistema en virtud de una inevitable transferencia de calor hacia/desde el entorno que rodea al aparato. Estas son consideraciones significativas para aplicaciones tales como el uso en sistemas de generación de energía o de almacenamiento de energía, especialmente donde se proporcionan en vehículos que incluyen, pero no se limitan a, embarcaciones (por ejemplo, barcos o barcos). El documento US-2017/306979 A1 (IURISCI GIUSEPPE y col.) describe un ejemplo adicional de la técnica relacionada. Por lo tanto, es altamente deseable un sistema que aumente la eficiencia térmica de un compresor y, por lo tanto, la eficiencia térmica de un aparato que forma parte de (por ejemplo, un motor térmico) que también pueda ser envasado/construido para ocupar menos espacio que el aparato de la técnica relacionada.
Resumen
La presente descripción se refiere a un sistema compresor gestionado por calor y/o un sistema de control de motor térmico de bucle cerrado que comprende un sistema de turbina y/o un sistema compresor. La presente invención que define el alcance de protección proporciona un módulo compresor como se establece en la reivindicación 1 adjunta. Otras características de la invención resultarán evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes.
Por lo tanto, se proporciona un módulo compresor, que puede formar parte de un motor térmico, o puede proporcionarse como una alternativa a un compresor convencional en otras aplicaciones. También puede proporcionarse un conjunto compresor que comprende un número de módulos compresores, o un aparato termodinámico (por ejemplo, un motor térmico, bomba de calor o compresor) operable para aumentar la eficiencia térmica de los sistemas a los que se incorpora en relación con los ejemplos de la técnica relacionada.
El aparato de la presente divulgación también es ventajoso ya que puede producirse como una unidad más compacta (es decir, requerir menos espacio) y requiere menos sistemas de soporte en relación con ejemplos equivalentes de la técnica relacionada. Por lo tanto, puede resultar en un sistema más barato de fabricar, ensamblar, entregar y operar en comparación con las alternativas disponibles actualmente para la misma potencia producida, proporcionando así una ventaja competitiva significativa.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se describirán ejemplos de la presente descripción con referencia a los dibujos adjuntos, en los que: Las Figuras 1 a 4 muestran ejemplos de configuraciones de motor térmico que pueden incluir un compresor y/o turbina de la presente descripción;
La Figura 5 muestra una sección transversal de un compresor o módulo de turbina según la presente descripción; La Figura 6 muestra una sección transversal de un compresor o sistema de turbina que comprende una pluralidad de compresores o módulos de turbina como se muestra en la Figura 5 y según la presente descripción;
La Figura 7 muestra una vista en sección de un ejemplo de una entrada al módulo de turbina o salida del módulo compresor; La Figura 8 muestra una vista en sección de un ejemplo de una salida del módulo de turbina o de entrada al módulo compresor;
La Figura 9 muestra una vista en perspectiva de diferentes lados de parte de una entrada de módulo compresor o salida de módulo de turbina de ejemplo que puede configurarse para transferencia de calor entre etapas (es decir, enfriamiento o calentamiento);
La Figura 10 muestra una vista en perspectiva de diferentes lados de parte de otro ejemplo de una entrada de módulo compresor o control de salida de módulo de turbina de la trayectoria de flujo de fluido;
La Figura 11 muestra una vista ampliada de un puerto de entrada mostrado en las Figuras 7, 8;
La Figura 12 muestra una vista en perspectiva en sección de un módulo compresor según la presente descripción; La Figura 13 muestra y ejemplos de una configuración de motor térmico que puede incluir un compresor y/o turbina de la presente descripción;
La Figura 14 muestra una sección transversal de un compresor o sistema de turbina según la presente descripción; La Figura 15 muestra una sección transversal de un compresor o sistema de turbina según la presente descripción; La Figura 16 muestra una vista en perspectiva de otro ejemplo de un módulo compresor o entrada/salida del módulo de turbina;
La Figura 17 muestra una vista en perspectiva de un ejemplo adicional de un módulo compresor o entrada/salida del módulo de turbina;
La Figura 18 muestra un ejemplo de una configuración de motor térmico que puede incluir un compresor y/o turbina de la presente divulgación.
Las Figuras 19 a 22 ilustran ejemplos adicionales de un módulo compresor o entrada/salida del módulo de turbina; La Figura 23 muestra una turbina de vapor axial que comprende un compresor y/o turbina de la presente descripción; La Figura 24 muestra una vista en perspectiva en sección de un módulo de turbina de acuerdo con la presente descripción; Las Figuras 25 a 32 ilustran características de ejemplo adicionales de un módulo de compresor o módulo de turbina de acuerdo con la presente descripción; y
La Figura 33 muestra una característica de diseño alternativa adicional de acuerdo con la presente descripción. Los números de referencia utilizados en las figuras de la presente divulgación se identifican en la lista no exhaustiva a continuación:
Figure imgf000003_0001
Figure imgf000004_0001
Figure imgf000005_0001
Descripción detallada
La presente descripción se refiere a un sistema compresor gestionado por calor y/o un sistema de control de motor térmico de bucle cerrado que comprende un sistema de turbina y/o un sistema compresor de la presente descripción. Un fluido de trabajo se hace pasar a través del compresor y/o turbina, y un fluido de transferencia de calor (por ejemplo, un refrigerante para retirar calor del fluido de trabajo en el compresor, o un medio de calentamiento para la adición de calor al fluido de trabajo en la turbina) se hace pasar a través del cuerpo del módulo de compresor/turbina.
El sistema de turbina y/o el sistema de compresor de la presente divulgación pueden usarse en aplicaciones de generación de energía usando turbomaquinaria de ciclo cerrado regenerativa, recalentada e interenfriada. Un módulo de turbina de la presente descripción puede funcionar para aproximar la expansión isotérmica. Un compresor de la presente descripción puede aproximarse a la compresión isotérmica. Por lo tanto, el módulo de turbina y el módulo compresor pueden incluirse en un motor térmico en base a una disposición de turbina de gas de ciclo cerrado para producir energía a partir de una fuente de calor. Esta disposición del equipo puede proporcionar un motor térmico que funciona de manera que se aproxime al ciclo termodinámico de Ericsson.
El sistema de turbina de la presente descripción puede usarse en aplicaciones de generación de energía mediante el uso de regeneración, recalentado, turbomaquinaria de ciclo de Rankine, que se aproxima a un ciclo de Rankine recalentado sin la necesidad de que el fluido de trabajo vuelva a un calentador externamente a la turbina. Un ejemplo de una disposición de turbina en esta solicitud se muestra en la Figura 23.
El aparato de la presente divulgación también puede incluir equipos utilizables para controlar, iniciar y detener y sellar la maquinaria. La presente descripción también puede relacionarse con un método de fabricación y ensamblaje de un compresor y/o turbina de acuerdo con la presente descripción.
Motor térmico
La Figura 1 muestra una disposición conocida de equipos dispuestos como un motor térmico que incluye un compresor enfriado 1, una turbina calentada 2, un calentador de fluido 6 (configurado para estar en comunicación de flujo de calor con una fuente de calor), un enfriador de fluido 5 (configurado para estar en comunicación de flujo de calor con un disipador de calor) y un recuperador (intercambiador de calor) 3 para crear un motor térmico. Esto puede usarse para accionar un generador 4, o alternativamente un árbol de propulsión y hélice, un compresor, bombas u otro equipo de consumo de energía. También puede alimentar combinaciones de estos artículos. Esto se logra usando el calentamiento entre etapas de turbina y el calentador de boquilla, y un compresor con protección de diafragma enfriado y enfriamiento entre etapas según la presente descripción descrita en la presente memoria. Esto daría como resultado un motor térmico con una eficiencia termodinámica extremadamente alta y un diseño simple que pueda fabricarse usando los componentes descritos.
Las fuentes de calor pueden incluir, pero no se limitan a: quemar combustible, reactores, solar térmica y/u geotérmica.
En la Figura 1, el suministro de fluido calentador y el retorno, y el suministro de fluido más frío y tuberías de retorno, se muestran como una sola línea solo con fines ilustrativos. Cada una de estas tuberías puede pasar a través de un colector y dividirse en las muchas líneas de suministro y retorno para proporcionar fluido a la misma temperatura a cada elemento de calentamiento o enfriamiento.
La Figura 13 muestra la misma disposición que se muestra en la Figura 1, con la adición de una válvula 62 de parada en serie de flujo entre el intercambiador de calor 3 y la turbina 2, proporcionada como un medio para detener la turbina en una emergencia. El acoplamiento de esto puede sobrepresurizar el sistema, sin embargo, también puede proporcionar una parada directa a la producción de energía que puede usarse para evitar daños a la máquina desde la pérdida de carga, sobre escenarios de velocidad y emergencia. La válvula puede ser accionada automáticamente por el sistema de control a través de un disparo por exceso de velocidad. Puede usarse cualquier disposición de tipo sensor de velocidad de rotación comúnmente usada.
También como se muestra en la Figura 13, una válvula de derivación de turbina 61 en serie de flujo entre el compresor de calor 1 y el intercambiador de calor 3, en comunicación de flujo entre la salida del compresor y la entrada del compresor. Esta válvula está normalmente cerrada, forzando el fluido comprimido desde el compresor a través de la turbina y el intercambiador de calor. Si la carga se retira de la turbina cuando funciona en un estado de alta potencia, existe un peligro de que la velocidad de rotación de la turbina aumente rápidamente, más allá de sus límites de diseño. La apertura de la válvula de derivación proporciona un recorrido de recirculación para el fluido a través del compresor, evitando la turbina, lo que da como resultado una pérdida de potencia. Si la válvula y la tubería están dimensionadas para tener un área más grande que la entrada de la turbina y para abrirse lo suficientemente rápido, la condición de exceso de velocidad puede evitarse en caso de pérdida de carga. Esta válvula también se puede usar como un acelerador bajo carga parcial si es necesario. Las válvulas pueden activarse manual, hidráulica o eléctricamente, y ser de tipo bola, mariposa, reguladora o de deslizamiento.
Las posiciones alternativas para las conexiones de tuberías que conducen a la válvula pueden estar en la entrada y salida de la turbina. Otras alternativas pueden unirse a través del intercambiador de calor (por ejemplo, la salida del compresor a la salida de la turbina).
La Figura 2 muestra una disposición de equipos donde las bombas para el calentador 6 y el enfriador 5 son impulsadas directamente por el árbol de la máquina, uniendo el calentador y el caudal del refrigerador a la velocidad de funcionamiento de la máquina. Esto puede lograrse a través de un accionamiento de engranaje cónico en el árbol, un accionamiento de cinta, una caja de engranajes cortada recta o helicoidal, un accionamiento de cadena o uniendo directamente las bombas al árbol con un acoplamiento flexible. Unir la velocidad de flujo del calentador a la velocidad del árbol es beneficioso en máquinas de velocidad variable, ya que une la potencia requerida en el fluido de trabajo a la entrada de calor a la máquina.
La Figura 3 muestra una disposición para controlar la salida de potencia de un motor térmico que comprende un módulo de compresor y/o módulo de turbina de acuerdo con la presente divulgación con un efecto mínimo sobre la eficiencia del motor térmico. Se puede retirar una cantidad del fluido de trabajo del ciclo entre dos etapas usando la válvula de control 8, dando como resultado una presión más baja del fluido de trabajo que entra en la turbina. Además, la válvula de control 10 puede permitir que el fluido de trabajo entre en la turbina entre las etapas. Esta disposición de válvulas elimina la necesidad de una válvula de mariposa restrictiva, lo que controlaría la producción de energía disminuyendo la eficiencia del ciclo de fluido de trabajo.
Las válvulas pueden activarse manual, hidráulica o eléctricamente, y son de tipo bola, mariposa, regulación o deslizamiento. El sistema de control puede tomar las lecturas de temperatura y presión y ajustar las válvulas, cambiar el flujo interno para optimizar la eficiencia de la máquina en cualquier condición de carga.
La Figura 4 muestra una disposición alternativa para controlar la potencia de un motor térmico de acuerdo con la presente divulgación. Las primeras etapas del compresor y las últimas etapas de la turbina están optimizadas para un caudal másico mayor de fluido de trabajo que las últimas etapas del compresor y etapas tempranas de turbina. Las válvulas de Control 7, 8, 9, 10 y trayectorias de flujo separadas se usan para variar el flujo entre diferentes etapas de la turbina y el compresor. Esto da como resultado un diseño que puede alterar la potencia de salida de la máquina sin gran pérdida de eficiencia en la turbina o compresor, a velocidades constantes o variables. Se puede usar un sistema de control por ordenador que monitoriza la temperatura y presión entre etapas para lograr la mejor eficiencia al alterar el caudal a través de cada válvula individualmente.
La Figura 18 muestra otra alternativa, donde las últimas etapas del compresor y las etapas tempranas de los mismos están optimizadas para caudales de masa mayores. De nuevo, las válvulas de control (no mostradas pero similares a la Figura 4) se utilizan para controlar la potencia de la máquina. En cualquiera de estas disposiciones, el intercambiador de calor puede dividirse (es decir, proporcionarse por separado) o combinarse (es decir, proporcionarse como una unidad).
Un método alternativo para controlar la salida de potencia de la máquina es alterar la presión de trabajo. Esto puede lograrse agregando un depósito de fluido de trabajo presurizado 78 y dos válvulas de control 79, 80 como se muestra en la Figura 18. El fluido de alta presión puede retirarse del volumen del fluido de trabajo abriendo la válvula 79. Si se puede devolver al sistema a una presión más baja mediante la apertura de la válvula 80. Cambiar la masa del fluido de trabajo en el mismo volumen cambia la presión en el sistema, lo que cambia la potencia de salida de la máquina. Si el depósito de fluido es lo suficientemente grande como se puede usar también para iniciar la máquina abriendo la válvula 79. Si es necesario, se puede incluir una línea que conecta el depósito de fluido a las boquillas de la turbina para este propósito, con una válvula de aislamiento adicional.
Este diseño puede incorporar más de un único bucle de control. Se pueden añadir válvulas de control y tuberías adicionales para dar múltiples trayectorias (por ejemplo, tres trayectorias de flujo) que pueden usarse para transferir fluido desde el compresor a la turbina entre diferentes etapas de máquina.
El motor térmico de ciclo cerrado de acuerdo con la presente divulgación puede no ser autoarrancado. Un motor puede conectarse al árbol del motor térmico 25. El motor puede ser eléctrico o de una turbina de tipo impulso accionada por una fuente de gas comprimido externo. Cuando se usa un generador, este también puede ser accionado como un motor para iniciar la turbina. Cuando se acopla en el árbol 25 con un mecanismo que puede proporcionar par en ambas direcciones de rotación, el motor también se puede usar para proporcionar una rotación hacia delante e inversa de baja velocidad de la turbina que se puede usar para activar el árbol de salida y el equipo asociado.
Módulo de turbina
En la Figura 24 se muestra un módulo de turbina 100 para un motor térmico 104 de acuerdo con la presente descripción. El módulo de turbina 100 define un conducto de flujo de fluido de trabajo 60 entre una entrada de módulo de turbina 110 y una salida de módulo de turbina 114 configurada para expandir un fluido de trabajo y, por lo tanto, eliminar la energía del fluido de trabajo, ya que el fluido de trabajo pasa a lo largo del conducto de flujo de fluido de trabajo 60. La trayectoria definida por el conducto de flujo de fluido de trabajo 60 se muestra mediante flechas de puntos en la Figura 24. El módulo de turbina 100 comprende un primer intercambiador de calor 37 y una plataforma de rotor de turbina 24 centrada en un primer eje de rotación 188. La etapa de rotor de turbina 24 es giratoria alrededor del primer eje de rotación 188. El primer intercambiador de calor 37 puede ser no giratorio alrededor del primer eje de rotación 188. Cada uno del primer intercambiador de calor 37 y la etapa de rotor de turbina 24 se proporcionan en el conducto de flujo de fluido de trabajo 60. La etapa de rotor de turbina 24 puede transportarse en un árbol 25, la plataforma de rotor 24 y el árbol 25 pueden girar juntos alrededor del primer eje de rotación 188.
Como se muestra en la Figura 24, el primer intercambiador de calor 37 puede proporcionarse en una serie de flujo entre la entrada del módulo de turbina 110 y la etapa de rotor de turbina 24. La etapa de turbina 24 puede proporcionarse en serie de flujo entre el primer intercambiador de calor 37 y la salida de módulo de turbina 114.
El primer intercambiador de calor 37 puede estar definido por una pared 126 que tiene una superficie externa 182 que está situada en el conducto de flujo de fluido de trabajo 60.
También se muestra en la Figura 24 una unidad de suministro de calor 136 (que también puede denominarse unidad de transferencia de calor) que define una porción 140 del conducto de flujo de fluido de trabajo 60 en serie de flujo entre la etapa de rotor de turbina 24 y la salida del módulo de turbina 114. Es decir, una porción 140 del conducto de flujo de fluido de trabajo 60 se extiende a lo largo/a través de la unidad de suministro de calor 136 a la salida del módulo de turbina 114. La unidad de suministro de calor 136 está fijada al primer intercambiador de calor 37 y también es no giratoria alrededor del primer eje de rotación.
Por lo tanto, el conducto de flujo de fluido de trabajo 60 del módulo de turbina 100 se extiende para dirigir el fluido de trabajo a través del rotor de turbina 24 y luego a lo largo de la longitud de la unidad de suministro de calor 136 antes de suministrarse a la salida del módulo compresor 214.
El primer intercambiador de calor 37 está en comunicación de transferencia de calor con la unidad de suministro de calor 136.
El primer intercambiador de calor 37 está configurado de tal manera que es operable para transferir calor recibido desde la unidad de suministro de calor 136 al fluido de trabajo 150 que pasa a través/sobre el primer intercambiador de calor 37.
Como se muestra en la Figura 24, el primer intercambiador de calor 37 puede proporcionarse como un perfil aerodinámico, por ejemplo, una paleta de estator. Por lo tanto, el primer intercambiador de calor 37 puede proporcionarse como una paleta de guía de boquilla 120.
La etapa de turbina puede comprender una pluralidad de primeros intercambiadores de calor 37 y una pluralidad de segundos intercambiadores de calor 38. Por ejemplo, los intercambiadores de calor pueden estar dispuestos en un anillo, o proporcionarse como una matriz, alrededor del primer eje de rotación 188, separados igualmente entre sí.
La unidad de suministro de calor 136 puede definir un paso de flujo del medio de calentamiento 154 (es decir, el paso de fluido de transferencia de calor 154) para la transferencia de un medio de calentamiento (es decir, fluido de transferencia de calor) 170. La trayectoria definida por el paso de flujo del medio de calentamiento 154 se muestra mediante flechas sólidas en la Figura 24. La unidad de suministro de calor 136 puede definir una primera entrada 160 al paso de flujo del medio de calentamiento 154 y una salida 164 del paso de flujo del medio de calentamiento 154. La entrada 160 puede configurarse para recibir el medio de calentamiento 170 (fluido de transferencia de calor) desde una fuente de calor 174.
Un segundo intercambiador de calor 38 puede estar situado en la unidad de suministro de calor en el conducto de flujo de fluido de trabajo 60 en serie de flujo entre la etapa de rotor de turbina 24 y la salida del módulo de turbina 114.
El segundo intercambiador de calor 38 puede proporcionarse adyacente a la salida del módulo de turbina 114. El segundo intercambiador de calor 38 puede estar definido por una pared 132 que tiene una superficie externa 138 que está situada en el conducto de flujo de fluido de trabajo 60. El segundo intercambiador de calor 38 puede configurarse de manera que sea operable para transferir calor al fluido de trabajo 150 que pasa a través del mismo (es decir, más allá del segundo intercambiador de calor 38). Por lo tanto, el segundo intercambiador de calor 38 puede proporcionar calentamiento entre etapas de recalentamiento en ejemplos en los que se ensamblan múltiples módulos de turbina. Es decir, puede proporcionarse un conjunto de turbina 190 que comprende múltiples módulos de turbina 100 como se describe en el presente documento, alineado en secuencia de manera que el conducto de flujo de fluido de trabajo 60 se extiende desde la entrada 110 del primer módulo en la secuencia a la salida 164 del último módulo de la secuencia (por ejemplo, como se muestra en las Figuras 6, 14, 15). Por lo tanto, puede proporcionarse un aparato termodinámico (es decir, un motor térmico) que comprende un módulo de turbina 100 como se describe en el presente documento, un conjunto de turbina como se describe en el presente documento.
Todavía con referencia a la Figura 24, la unidad de suministro de calor 136 puede definir un puerto de flujo 172 en comunicación fluida con el conducto de flujo de fluido de trabajo 60 y en serie de flujo entre el segundo intercambiador de calor 38 y la salida del módulo de turbina 114. El puerto de flujo 172 proporciona un medio para añadir fluido de trabajo adicional a, o retirar fluido de trabajo del conducto de flujo de fluido de trabajo 60.
El paso de flujo del medio de calentamiento 154 puede comprender una porción 144 que se extiende adyacente a la porción 140 del conducto de flujo de fluido de trabajo 60 a medida que se extiende a lo largo/a través de la unidad de suministro de calor 136 a lo largo del eje de rotación 188. El cuerpo de la unidad de suministro de calor 136 que define la porción 140 del conducto de flujo de fluido de trabajo y la porción 144 de paso de flujo del medio de calentamiento pueden configurarse de tal manera que sea operable para transferir calor desde el medio de calentamiento 170 al fluido de trabajo 150.
La pared 126 del primer intercambiador de calor 37 puede comprender una cavidad 180 que define parte del paso de flujo del medio de calentamiento 154. Se puede proporcionar un miembro deflector de flujo 168 en la primera cavidad del intercambiador de calor 180 y/o la segunda cavidad del intercambiador de calor 184.
La pared 132 del segundo intercambiador de calor 38 puede comprender una cavidad 184 que define parte del paso del flujo del medio de calentamiento 154.
El paso de flujo del medio de calentamiento 154 puede aislarse del conducto de flujo de fluido de trabajo 60 de manera que el medio de calentamiento 170 no entra en contacto directo con el fluido de trabajo 150.
La unidad de suministro de calor 136 puede definir una segunda entrada 186 al paso de flujo del medio de calentamiento 154. La primera entrada 160 está separada de la segunda entrada 186 a lo largo de la longitud de la unidad de suministro de calor 136. La salida de calentador 164 se proporciona entre la primera entrada 160 y la segunda entrada 186 a lo largo de la longitud de la unidad de suministro de calor 136 de manera que el medio de calentamiento que entra en las entradas 160, 186 se expulsa a través de la salida 164.
Por lo tanto, se proporciona un equipo para proporcionar calentamiento entre etapas por medio de un intercambiador de calor dentro de una turbina de gas, lo que da como resultado el calentamiento del gas a una presión casi constante entre las etapas. Esto proporciona una mayor eficiencia. En los ejemplos que se muestran, se ilustra una turbina de gas radial, aunque la enseñanza podría aplicarse igualmente a una turbina de gas de flujo axial.
Como se describió anteriormente, la turbina puede usar un fluido de calentamiento (medio de calentamiento o fluido de transferencia de calor) y un fluido de trabajo. El fluido de trabajo puede ser un fluido compresible, y el fluido de calentamiento (medio de calentamiento o fluido de transferencia de calor) puede ser un fluido compresible o un fluido incompresible.
Las disposiciones mostradas en las Figuras 5, 6 y 8 presentan ejemplos alternativos de la disposición mostrada en la Figura 24, aunque funciona sobre el mismo principio, a saber, integrar un intercambiador de calor 38 que calienta el gas entre las etapas de turbina. El fluido de trabajo pasa desde la salida (es decir, la salida) de una etapa de la turbina, a través de un canal conformado 60 (conducto de flujo de fluido de trabajo) que forma el lado de gas de trabajo del intercambiador de calor 38. El canal/conducto está conformado para maximizar la transferencia de calor desde la pared del cilindro interior definida por la unidad de suministro de calor 136 al fluido de trabajo, al tiempo que minimiza la caída de presión. Se puede usar cualquier número de canales, de uno a muchos miles. Estos pueden conformarse usando formas simples, o con formas T mecanizadas más complejas, o con aletas para aumentar el área de superficie de transferencia de calor (no mostrada).
En los ejemplos mostrados, el intercambiador de calor entre etapas de la unidad de suministro/transferencia de calor 136 incluye un canal de fluido calentador (es decir, un fluido de transferencia de calor o un pasaje de flujo de medio de calentamiento 154), que se forma a partir de una placa de cilindro interior mecanizada 20, y una segunda placa de cilindro interior mecanizada 40. La placa 20 se mecaniza para crear la forma del canal de fluido de trabajo requerida en el lado del fluido de trabajo, con ranuras huecas conformadas en la cara opuesta que permiten que el fluido de calentamiento (es decir, medio de calentamiento o fluido de transferencia de calor) pase a través de los canales del calentador en las palas del rotor, permitiendo que el calor se transfiera desde el fluido de transferencia de calor a través de la pared del intercambiador de calor al fluido de trabajo. Los canales de fluido de transferencia de calor en la placa 20 forman la parte hembra de la conexión entre las placas 40 y 20.
La segunda placa interior del cilindro 40 define el deflector 168, 268 proporcionando una disposición de canales que permiten que el fluido calentador se pase a un extremo del canal calentador, y un conjunto de formas de guía de fluido mecanizadas verticales 69 que entran en la sección hueca de la placa 20. Estas forman la segunda parte macho del canal de fluido calentador. La segunda placa de cilindro interior 40 tiene un conjunto de orificios perforados y canales mecanizados en él, formando el paso de flujo de fluido de transferencia de calor 154, para permitir que el fluido calentador pase a través de él, y vuelva a la salida de la turbina.
Se puede fabricar fácilmente un gran número de canales intercambiadores de calor de formas complejas en esta disposición, aumentando el área superficial con poco coste. Un molino CNC de múltiples ejes puede producir estas formas con precisión y rápidamente. Las placas de cilindro interior se pueden mecanizar a partir de material de placa sólida, o a partir de preformas fundidas o forjadas de una forma similar al diseño final. Alternativamente, cada una de las placas de la unidad de suministro/transferencia de calor 136 puede fabricarse mediante el uso de métodos de fabricación aditiva (impresión 3D). El fluido de transferencia de calor se fuerza a través del canal calentador por medio de una bomba que proporciona una diferencia de presión entre el suministro a la turbina 15 y el retorno 14 (como se muestra en la Figura 5).
Se crea una disposición de sellado de fluido de calentamiento mediante pernos pretensados que sujetan las dos placas juntas. Una disposición de sello se muestra en las Figuras 5 y 9 (características 33, 34 & 46) que tiene un sello primario asentado en una ranura mecanizada, una trayectoria de fuga que permite detectar fugas y el fluido a recoger y un sello secundario. Los sellos en la turbina pueden ser de construcción metálica (debido a la alta temperatura) y podrían ser sellos metálicos c, sellos metálicos c respaldados por resorte o sellos. Alternativamente, los sellos pueden crearse mediante una junta de metal a metal simple, creada por una cara elevada mecanizada en cada placa que se sujeta con suficiente presión por los pernos para crear un sello hermético.
La disposición de sellado de fluido de trabajo se logra de la misma manera, usando los mismos pernos o un conjunto diferente para proporcionar la fuerza de sujeción. Las ranuras se mecanizan en las placas usando una fresadora CNC. La disposición de sellado de cilindro exterior también se logra de esta manera. Las placas también pueden sellarse mediante una soldadura de sello alrededor del borde exterior si es necesario.
Alternativamente, toda la estructura de placa formada por las placas 20, 36, 39 y 40 puede fabricarse mediante el uso de fabricación aditiva (impresión 3D).
Las Figuras 5, 6, 7 y 8 muestran la disposición de la carcasa, que incluye un cilindro exterior de dos partes 19. El perno de dos partes juntas mediante una superficie mecanizada que forma o contiene sellos. Este cilindro aloja las placas de cilindro interno y diafragma. Las placas de extremo resistentes a la presión 63, 64 tienen una conexión atornillada al cilindro exterior 19, y una disposición de sellado similar a la descrita a continuación y previamente. Las partes del cilindro interior se pueden conectar al cilindro exterior con una disposición de pernos, con un conjunto de clavijas, o a través de los insertos de ruta de fluido 67 utilizados para formar la parte de conexión mecánica de la disposición de sellado mostrada en la Figura 11.
La turbina tiene que tener un árbol caliente debido a su entorno de trabajo. Esto permite temperaturas reducidas en los cojinetes, lo que permite usar cojinetes convencionales con velocidades de flujo de aceite inferiores, y requisitos de enfriamiento más bajos.
La Figura 6 muestra un método para proporcionar aislamiento térmico a los cojinetes, limitando la cantidad de calor que se transfiere desde el rotor de turbina caliente al cojinete. Los cojinetes de empuje y radiales 52, 53 pueden ser cojinetes hidrodinámicos o de elemento rodante en película de aceite. El alojamiento de la turbina puede comprender una conexión con clavijas 54, 55. Las clavijas 54, 55 permiten el crecimiento radial del alojamiento de la turbina con respecto al alojamiento del cojinete. Se requiere un mínimo de tres clavijas radiales para soportar el cojinete, sin embargo, se pueden usar más. El espacio de aire 56, 57 se proporciona entre las superficies de soporte del cojinete 65, 66 y el rotor. La superficie de soporte de cojinete proporciona soporte estructural, transfiriendo las cargas axiales y radiales del alojamiento y alojamiento de cojinete al rotor. El rotor tiene un área de contacto reducida con las superficies de soporte de cojinete, creadas a través de una superficie mecanizada sobre ambos elementos. El punto 58 proporciona una restricción axial al soporte de cojinete de empuje. Esto puede disponerse como se muestra o ajustarse desde el extremo opuesto para permitir la instalación según se requiera.
La eficiencia de la primera etapa de la turbina puede mantenerse mediante el uso de un volumen de entrada de turbina dividido. En este caso, una serie de válvulas reemplazarían la válvula de control 9, que permite de forma independiente que el fluido de trabajo entre solo un área de ajuste de las boquillas de turbina. La Figura 7 muestra cómo se dividiría usando una placa de separación 44. Solo una entrada se muestra en la Figura 7, pero una entrada similar a 18 se añadiría a la sección inferior de la turbina en esta disposición. Pueden usarse múltiples disposiciones similares para dividir la entrada de turbina en muchas secciones.
Se pueden insertar sensores de presión en el fluido de trabajo a través de una disposición sellada similar a la entrada de presión media 17 (como se muestra en las Figuras 7, 11) y el inserto de sello de cilindro 67. Se puede usar un tubo de Pitot. Los termopares también se pueden insertar en el espacio de trabajo a través de insertos sellados de esta manera. Los drenajes se pueden colocar en la parte inferior del cilindro de turbina utilizando una disposición similar para permitir que la condensación y el fluido perdido se eliminen del espacio de fluido de trabajo.
Las placas de carcasa interiores se pueden combinar con las placas finales directamente, eliminando la necesidad de que el cilindro exterior retenga cargas de presión. Las placas se pueden sujetar para proporcionar la presión de sellado requerida usando un solo conjunto de pernos largos que se extienden a través de todas las placas fuera de los sellos. El soporte estructural y la alineación de las placas se proporcionan mediante barras de alineación, que también se extienden a través de todas las placas individuales. La Figura 14 muestra una vista en sección transversal a través del orificio de la barra de alineación 73 de esta disposición. Los agujeros de perno son similares a los orificios de barra de alineación. La Figura 15 muestra una sección transversal del cilindro de turbina o de compresor, en la línea central de máquina.
Un diseño de sellado del fluido de trabajo, fluido calentador y fluido enfriador dentro de la carcasa de turbina se muestra en la Figura 9, que comprende un sello primario y secundario hecho de un anillo O, sello metálico C o sello C metálico reforzado con resorte forma un límite para restringir el flujo de material al área deseada de la máquina. Se mecaniza una línea de drenaje en la superficie de la placa o estructura, lo que resalta cuando un sello está pasando fluido. Esto también permite que el fluido se reintroduzca en la máquina. Los sellos de conexión de tuberías 21, 22 y 23 también pueden fabricarse de esta manera, o alternativamente pueden usar una disposición mostrada en la Figura 11, o uniones roscadas convencionales 31, juntas o soldaduras.
Como se describe con referencia a la Figura 24, también se puede proporcionar primeros intercambios de calor 37 en la entrada a las boquillas calentadas con rotor de turbina que expanden el fluido de trabajo y calentándola al mismo tiempo (en una turbina de gas radial). Esto expande y calienta el gas al mismo tiempo, por lo que la presión cae a través de la boquilla mientras se añade calor. Esto proporciona a la boquilla una velocidad de salida más alta para la misma caída de presión. Mejora la eficiencia en la sección impulsional de las palas en una turbina. Se añade calor directamente a la turbina, lo que hace que la máquina sea más simple y la huella más pequeña.
Se puede usar una disposición de placas mecanizadas 20, 40 para crear el primer intercambiador de calor 37, con un propósito específico de aumentar la velocidad de flujo del fluido de trabajo usando una diferencia de presión a través de la boquilla, mientras se añade mucha energía al fluido de trabajo según sea posible calentándolo. La forma de los canales 45 de fluido de trabajo de la boquilla se optimiza para usar una caída de presión entre la entrada a la boquilla y la salida de la boquilla para aumentar la velocidad del fluido de trabajo, y añadir mucha energía térmica al fluido de trabajo según sea posible al mismo tiempo. Esto crea una boquilla con expansión casi isotérmica.
El canal de boquilla en el lado del fluido de trabajo puede mecanizarse en una cara de la placa 36, y una ranura hueca (que hace la parte hembra del canal de fluido calentador) se mecaniza en la cara posterior. La segunda placa 39 puede incluir un conjunto de canales mecanizados para guiar el fluido a un extremo del canal calentador y volver desde el otro extremo.
Se usa un fluido calentador similar y una disposición de sello de fluido de trabajo entre estas placas como se describió anteriormente. Se requiere un mínimo de una sola etapa para lograr una eficiencia mejorada, pero muchos pueden usarse.
Como se muestra en la Figura 16, una disposición de tubos de colector de suministro 70 y tubos de colector de retorno 71 puede conectarse a las placas de cilindro interior. Las placas proporcionan un suministro de fluido calentador y una ruta de retorno a los tubos colectores. Los tubos de transferencia de calor 72 de diámetro pequeño conectan los tubos de suministro y retorno del colector dentro del espacio de calentamiento entre etapas, formando un intercambiador de calor. Los tubos colectores pueden conectarse a la sección de suministro y retorno de la placa a través de una junta atornillada sellada similar al artículo 67, o a través de una junta atornillada o soldada. Como se indica a continuación con referencia al módulo compresor, se puede usar una disposición similar para proporcionar enfriamiento entre etapas en un compresor.
Los perfiles de pala pueden ser etapas de palas de tipo impulso o de reacción dependiendo del perfil de operación de máquina deseado. Pueden ser principalmente flujo radial, principalmente flujo axial o una combinación de ambos. Las palas del tipo de impulso puede dar una ventaja al permitir que el área de transferencia de calor sea externa a los componentes giratorios, lo que significa que la expansión o compresión puede estar más cerca de isotermas, sin embargo, esto también puede aumentar las pérdidas de flujo en la máquina.
Las palas de turbina pueden configurarse y conformarse para que el flujo pase axialmente a través de ellas, o en una combinación de direcciones axiales y radiales.
La Figura 17 muestra un diseño alternativo para crear un diafragma que proporciona calentamiento entre etapas, enfriamiento, boquillas calentadas y diafragmas enfriados. Puede usarse una disposición similar de placas mecanizadas atornillada junto con una disposición de sellado similar a la descrita anteriormente para crear la superficie interior de la ruta de flujo del fluido de trabajo. La superficie puede conformarse para formar canales para el calentador o fluido enfriador, y para crear una forma que maximice la transferencia de calor entre estos fluidos y el fluido de trabajo.
Cada placa de diafragma 26, 27 mostrada en el ejemplo de la Figura 5 se reemplaza por placas 74, 75, 76 y 77 de diafragma. Las espigas de soporte de diafragma 32 se ayudan a soportar el diafragma mediante un conjunto de calentadores de suministro y retorno y conexiones de enfriamiento que son similares en el diseño del artículo 67, sin embargo pasan a través del cilindro interior (y el cilindro exterior si están presentes) y a través del espacio de fluido de trabajo, proporcionando trayectorias de suministro y retorno para el calentador o fluido enfriador y soporte estructural.
El diafragma se sella de una manera similar a la descrita anteriormente, con la adición de un camino de retorno para el calentador o fluido más frío. Esta trayectoria se proporciona por un diseño similar al suministro de fluido calentador.
Los canales de flujo y la forma del calentador de superficie de transferencia de calor de fluido de trabajo, el refrigerador, la boquilla calentada y el difusor enfriado también pueden crearse con una disposición de aletas simples y formas en la superficie de las placas 81, como se muestra en la Figura 19. En este ejemplo, esto no permite que el canal de fluido de calentamiento o enfriamiento pase directamente a las aletas, sin embargo, crea una mayor superficie de transferencia de calor. Las aletas se pueden mecanizar en la placa o se pueden soldar sobre la superficie de la placa usando métodos convencionales que incluyen técnicas de tipo de soldadura de arco de descarga manual o manual, de ciclo corto o de descarga de condensador.
Los canales de flujo de fluido de calentamiento o enfriamiento se mecanizan en las placas como se describió anteriormente. Los canales en las placas también pueden contener soldaduras similares en características para crear formas de canal que mejoran la transferencia de calor y reducen la fricción.
Como se muestra en la Figura 20, los canales de flujo y la forma del calentador de superficie de transferencia de calor de fluido de trabajo, el refrigerador, la boquilla calentada y el difusor enfriado también pueden crearse con un componente de aleta de forma hueca 83 separado, que se suelda sobre los orificios 82 en la placa, lo que permite que el fluido entre y vuelva desde la aleta, creando una pared delgada para una transferencia de calor mejorada, mientras que permite una construcción soldada en lugar de mecanizar las aletas de una placa original. Las aletas se pueden soldar usando métodos convencionales que incluyen técnicas de soldadura de tacos de ciclo corto o de descarga de capacitor, de arco automático o manual. El componente “Aleta” 83 puede ser alternativamente una sección de tubo en forma de U, proporcionando una conexión de suministro y retorno.
Las Figuras 21 y 22 muestran diseños de calentador entre etapas adicionales o alternativas, con una variante de 3 placas y con una disposición de tipo tubo donde el gas pasa a través del fluido calentador a medida que pasa a través de un haz de tubos.
Las Figuras 25 a 32 ilustran una variación de diseño adicional del aparato de la presente descripción. En particular ilustran características de un intercambiador de calor con un pequeño número de uniones y componentes atornillados sellados, un método de suministro y retorno de fluido de calentamiento o enfriamiento entre dos componentes de carcasa del intercambiador de calor y disposiciones de montaje alternativas.
La Figura 25 muestra placas de carcasa interiores mecanizadas 404, 418 utilizadas para crear una única cara de sellado 416, que se sujetan entre sí usando una disposición de unión atornillada. Orificios contra-perforados 414 permiten que las uniones atornilladas encajen dentro de la sección. Alternativamente, se puede usar una soldadura de sello preparada alrededor de la cara exterior 412, similar a una soldadura en V. También se ilustra un diafragma 402.
La superficie/volumen interno 420 de este par de placas 404, 418 mantiene el fluido de transferencia de calor, con una única superficie de sellado 416, en lugar de en múltiples superficies de sellado.
Las dos placas 404, 418 se sujetan alrededor de una placa de guía de paso de flujo 408. Esta encaja dentro de los agujeros ranurados que forman las guías 410 (como se muestra en la Figura 26) y restringe el flujo del fluido de transferencia de calor a la trayectoria óptima a través del espacio. Esto puede estar hecho de una sola placa plana, con un número de orificios ranurados que varias placas guía conformadas encajan, o un artículo impreso o mecanizado individual o 3D. Las dos placas de cilindro interior se pueden atornillar o soldar juntas.
Cuando se conectan entre sí estas tres placas 404, 408, 418 crean un intercambiador de calor con el fluido de transferencia de calor contenido dentro de las placas de carcasa interiores.
En la Figura 26, el suministro y el retorno del fluido de intercambio de calor a este volumen se muestran mediante las flechas “Z” en la Figura 26. El flujo del fluido de trabajo alrededor del exterior del intercambiador de calor se muestra en la línea discontinua y continua “X” . Las secciones discontinuas muestran donde el fluido de trabajo fluye entre las superficies de intercambio de calor.
La Figura 27 muestra una disposición de varias etapas de la disposición mostrada en las Figuras 25, 26, con la carcasa, rotor y palas. Se detallan conexiones de suministro y retorno para cada unidad de intercambio de calor. El diafragma 402 puede mantenerse en su lugar con pasadores o sujetarse en su lugar por las placas de carcasa interiores.
La Figura 28 ilustra sellos 434 de suministro y retorno ilustrativos que pueden utilizarse. Estos se ilustran con manguito de sellado y unión de brida estándar 430. Se pueden proporcionar sellos metálicos C, sellos O y sellos de tipo anillo de pistón.
La Figura 29 muestra una vista axial del ejemplo de la Figura 25 con una disposición de sello similar a la de la Figura 28 mostrada en el centro muerto superior en la Figura 29. La Figura 29 ilustra la restricción vertical de las placas 404, 418 dentro de una carcasa a través de una disposición de clavijas que puede incluir pernos 444 que sujetan las placas de carcasa interiores 404, 418 a una carcasa exterior 406. Se proporciona una restricción horizontal mediante un manguito de sellado que realiza una función de junta del sellado y la restricción del componente.
La Figura 30 ilustra una característica que permite que los componentes de carcasa superior e inferior tengan trayectorias de fluido de transferencia de calor unidas entre la mitad superior hasta la mitad inferior. Esto permite el suministro de fluido de transferencia de calor a la parte superior de la máquina, y un drenaje desde el fondo si se desea por diseño. Un hombro mecanizado contra-perforado proporciona la restricción de los componentes de manguito de sellado. Se pueden usar varias de estas para proporcionar un área grande para pasar fluido entre las partes superior e inferior.
La Figura 31 muestra una disposición alternativa, donde no hay carcasa exterior. Una disposición de tacos o pernos largos pasan a través de todas las placas. Las espigas que unen las caras de la placa (en cizalladura) permiten que la carcasa se monte con precisión sin una carcasa exterior, reduciendo aún más el número de componentes.
La Figura 32 muestra otro ejemplo de montaje, donde el rotor y los componentes de carcasa se montan axialmente, permitiendo así que se usen menos componentes.
Pueden proporcionarse juntas de sellado de tipo glándula o laberinto en todo el ensamblaje para reducir las pérdidas debido al fluido que pasa entre las etapas.
Se pueden proporcionar válvulas para controlar el flujo de fluido que se suministra al conjunto, al intercambiador de calor y desde el drenaje del intercambiador de calor.
El diafragma 402 puede proporcionarse como el componente de transferencia de calor, empleando una disposición más simple que requiere solo dos placas 404, 418.
La Figura 33 ilustra una característica alternativa adicional, específica de una aplicación de módulo de turbina. Puede tener una eficacia particular en los ejemplos en los que el intercambiador de calor/calentador funciona en una sección de “vapor húmedo” de una turbina. Las guías/paletas del intercambiador de calor 37 pueden tener una forma de “ S” como se ilustra en la Figura 33. La adición de curvas con forma de “ S” al lado del fluido de trabajo de intercambio de calor, como se muestra, puede resultar en cualquier líquido en el gas que se lanza sobre una superficie ya que es más denso que el gas, que forma una película y aumenta el coeficiente de transferencia de calor, lo que significa que el intercambiador de calor puede ser más pequeño.
En una aplicación de este tipo, el fluido de trabajo puede ser vapor con menos del 15 % de humedad, y el módulo de turbina puede comprender aceros de alto cromo o inoxidables. Las paredes del módulo pueden ser especialmente gruesas en este ejemplo también para permitir el desgaste adicional que se puede dotar debido a este modo de funcionamiento.
Una turbina de acuerdo con la presente divulgación puede configurarse para condensar o superar fluidos supercríticos como fluidos de trabajo y calentamiento (véase, por ejemplo, la Figura 23). Los fluidos de trabajo pueden ser vapor o CO2 a alta presión. El fluido de trabajo puede ser un gas, y el fluido de transferencia de calor puede ser un fluido. En el ejemplo de la Figura 23, el vapor puede ser el fluido de trabajo y el vapor de condensación puede ser el fluido calentador (es decir, fluido de transferencia de calor/medio).
Módulo compresor
Un módulo compresor 200 según la presente descripción, que puede formar parte del motor térmico 104 según la presente descripción, se muestra en la Figura 12. Como se puede inferir de la Figura 12, la geometría del módulo compresor de la presente descripción puede ser similar al módulo de turbina de la presente descripción. Aunque las geometrías mostradas en las Figuras 24, 12 parecen similares, se apreciará que los dibujos son solo ilustrativos, no están dibujados a escala, y los detalles del módulo compresor y del módulo de turbina pueden ser diferentes entre sí y variar a los presentados.
En el ejemplo mostrado (por ejemplo, un compresor radial) esta configuración proporciona un difusor enfriado que ralentiza, comprime y enfría el fluido de trabajo al mismo tiempo. Por lo tanto, la presión aumenta a través del difusor al mismo tiempo que se elimina la energía térmica.
El módulo compresor 200 define un conducto de flujo de fluido de trabajo 60 entre una entrada de módulo compresor 210 y una salida de módulo compresor 214 configurada para comprimir un fluido de trabajo y, por lo tanto, añadir energía al fluido de trabajo, ya que el fluido de trabajo pasa a lo largo del conducto de flujo de fluido de trabajo 60. La trayectoria definida por el conducto de flujo de fluido de trabajo 60 se muestra mediante flechas de puntos en la Figura 12. El módulo compresor 200 comprende un primer intercambiador de calor 37 y una etapa de rotor de compresor 24 centrado en un primer eje de rotación 288. La etapa de rotor de compresor 24 puede girar alrededor del primer eje de rotación. El primer intercambiador de calor 37 puede ser no giratorio alrededor del primer eje de rotación 288. Cada uno del primer intercambiador de calor 37 y la etapa 24 del rotor de compresor se proporcionan en el conducto de flujo de fluido de trabajo 60. La etapa del rotor del compresor 24 puede transportarse en un árbol 25, la plataforma del rotor 24 y el árbol 25 pueden girar juntos alrededor del primer eje de rotación 288.
Como se muestra en la Figura 12, el primer intercambiador de calor 37 se proporciona en una serie de flujo entre la entrada del módulo compresor 210 y la etapa del rotor del compresor 24. La etapa de compresor 24 se proporciona en serie de flujo entre el primer intercambiador de calor 37 y la salida del módulo compresor 214.
El primer intercambiador de calor 37 está definido por una pared 226 que tiene una superficie externa 282 que está situada en el conducto de flujo de fluido de trabajo 60.
También se muestra en la Figura 12 una unidad disipadora de calor 236 (que también puede denominarse unidad de transferencia de calor) que define una porción 240 del conducto de flujo de fluido de trabajo 60 (difusor) en una serie de flujo entre la etapa de rotor del compresor 24 y la entrada del módulo compresor 210. Es decir, una porción 240 del conducto de flujo de fluido de trabajo 60 se extiende a lo largo/a través de la unidad disipadora de calor 236 a la entrada del módulo compresor 210. La unidad disipadora de calor 236 está fijada al primer intercambiador de calor 37 y también no es giratoria alrededor del primer eje de rotación.
Como se observará, la dirección del flujo del fluido de trabajo en el módulo compresor 200 está en la dirección opuesta a la del módulo de turbina 100 en la Figura 24. Por lo tanto, el conducto de flujo de fluido de trabajo 60 del módulo compresor 100 se extiende para dirigir el fluido de trabajo a lo largo de la longitud de la unidad disipadora de calor 236 antes de ser suministrado al rotor del compresor 24 y a continuación a la salida del compresor 214.
El primer intercambiador de calor 37 está en comunicación de transferencia de calor con la unidad disipadora de calor 236.
El primer intercambiador de calor 37 está configurado de tal manera que es operable para transferir calor a la unidad disipadora de calor 236 del fluido de trabajo 250 que pasa a través/sobre el primer intercambiador de calor 37.
Como se muestra en la Figura 24, el primer intercambiador de calor 37 puede proporcionarse como un perfil aerodinámico, por ejemplo, una paleta de estator. Por lo tanto, el primer intercambiador de calor 37 puede proporcionarse como una paleta de guía de compresor 220.
La etapa de compresor puede comprender una pluralidad de primeros intercambiadores de calor 37 y una pluralidad de segundos intercambiadores de calor 38. Por ejemplo, los intercambiadores de calor pueden estar dispuestos en un anillo, o proporcionarse como una matriz, alrededor del primer eje de rotación 288, separados igualmente entre sí.
La unidad disipadora de calor 236 define un paso de flujo de refrigerante 254 para la transferencia de un refrigerante 270. La trayectoria definida por el paso de flujo de refrigerante 254 se muestra mediante flechas sólidas en la Figura 12. La unidad disipadora de calor 236 define una primera entrada 286 al paso de flujo de refrigerante 254 y una salida 264 del paso de flujo de refrigerante 254. La entrada 286 puede configurarse para recibir el refrigerante 270 desde un disipador de calor (por ejemplo, fuente de refrigerante) 274.
Un segundo intercambiador de calor 38 está situado en la unidad disipadora de calor en el conducto de flujo de fluido de trabajo 60 en serie de flujo entre la etapa de rotor del compresor 24 y la salida del módulo compresor 224.
El segundo intercambiador de calor 38 puede proporcionarse adyacente a la salida del módulo compresor 214. El segundo intercambiador de calor 38 está definido por una pared 232 que tiene una superficie externa 283 que está situada en el conducto de flujo de fluido de trabajo 60. El segundo intercambiador de calor 38 está configurado de tal manera que es operable para transferir calor a la unidad disipadora de calor 236 del fluido de trabajo 250 que pasa a través, sobre (es decir, más allá) del segundo intercambiador de calor 38. Por lo tanto, el segundo intercambiador de calor 38 puede proporcionar enfriamiento entre etapas en ejemplos en los que se ensamblan múltiples módulos de compresor. Es decir, puede proporcionarse un conjunto de compresor 290 que comprende múltiples módulos de compresor 200 como se describe en el presente documento, alineados en secuencia de manera que el conducto de flujo de fluido de trabajo 60 se extiende desde la entrada 210 del primer módulo en la secuencia a la salida 264 del último módulo de la secuencia. Por lo tanto, puede proporcionarse un aparato termodinámico (p. ej., motor térmico o bomba de calor) que comprenda un módulo compresor 200 como se describe en la presente memoria, un conjunto compresor como se describe en la presente memoria.
La unidad disipadora de calor 236 puede definir un puerto de flujo (es decir, un segundo puerto de entrada/salida) 272 en comunicación fluida con el conducto de flujo de fluido de trabajo 60 y en serie de flujo entre el primer intercambiador de calor 37 y la entrada del módulo compresor 210. El puerto de flujo 272 proporciona un medio para añadir fluido de trabajo adicional a, o retirar fluido de trabajo de, el conducto de flujo de fluido de trabajo 60.
El paso de flujo de refrigerante 254 puede comprender una parte 244 que se extiende adyacente a la porción 240 del conducto de flujo de fluido de trabajo 60 a medida que se extiende a lo largo/a través de la unidad disipadora de calor 236 a lo largo del eje de rotación 288. El cuerpo de la unidad disipadora de calor 236 que define la porción de conducto de flujo de fluido de trabajo 240 y la porción de paso de flujo de refrigerante 244 puede configurarse de manera que sea operable para transferir calor al refrigerante 270 desde el fluido de trabajo 250.
La pared 226 del primer intercambiador de calor 37 comprende una cavidad 280 que define parte del paso de flujo de refrigerante 254. Se puede proporcionar un miembro deflector de flujo 268 en la primera cavidad del intercambiador de calor 280 y/o la segunda cavidad del intercambiador de calor 284.
La pared 232 del segundo intercambiador de calor 38 comprende una cavidad 284 que define parte del paso de flujo de refrigerante 254.
El paso de flujo de refrigerante 254 puede aislarse del conducto de flujo de fluido de trabajo 60 de manera que el refrigerante 270 no entra en contacto directo con el fluido de trabajo 250.
La unidad disipadora de calor 236 define una segunda entrada 260 al paso de flujo de refrigerante 254. La primera entrada 286 está separada de la segunda entrada 260 a lo largo de la longitud de la unidad disipadora de calor 236. La salida de calentador 264 se proporciona entre la primera entrada 286 y la segunda entrada 260 a lo largo de la longitud de la unidad disipadora de calor 236 de manera que el refrigerante que entra en las entradas 260, 286 se expulsa a través de la salida 264.
La sección difusora (unidad disipadora de calor) puede comprender una disposición de placas selladas como se muestra, a modo de ejemplo no limitante, en las Figuras 5, 6, 14 y 15 con referencia al módulo de turbina. Más generalmente, las características mostradas en las Figuras 5 a 11, 14 a 17, 19 a 22, 25 a 32 con respecto al módulo de turbina pueden usarse igualmente en el módulo compresor 200. Por lo tanto, por ejemplo, en lugar de la disposición en el módulo de turbina 100 en el que se proporcionan los intercambiadores de calor 37, 38 que calientan (es decir, proporcionan calor al) fluido de trabajo, el módulo compresor 200 proporciona intercambiadores de calor 37, 38 que son operables para enfriar (es decir, eliminar el calor de) un fluido de trabajo. En la práctica, las palas de rotor del compresor pueden diferir de las palas del rotor de la turbina. Además, en lugar del fluido de transferencia de calor que es un fluido/medio de calentamiento usado en el módulo de turbina, el fluido de transferencia de calor puede proporcionarse como un refrigerante para su uso en el compresor y, por lo tanto, en lugar de la disposición en la turbina en la que el flujo de calor es desde el fluido de transferencia de calor al fluido de trabajo, en el módulo compresor el flujo de calor proviene del fluido de trabajo al refrigerante. Por lo tanto, el paso 154 de flujo de fluido de transferencia de calor de la turbina se denomina paso de refrigerante 254 en el compresor, y las características que proporcionan la unidad de suministro de calor 136 de la turbina están configuradas como una unidad disipadora de calor 236 para el compresor. Del mismo modo, se apreciará otra terminología de turbina relacionada con el calor puede reemplazarse con terminología de compresor relacionada con el enfriamiento para proporcionar la funcionalidad de compresión enfriada.
Como se describió anteriormente en relación con la Figura 12, la dirección del flujo del fluido de trabajo en el módulo compresor 200 está en la dirección opuesta a la del fluido de trabajo en el módulo de turbina 100 en la Figura 24. Por lo tanto, aunque las características mostradas en las Figuras 5 a 11, 14 a 17, 19 a 22, 25 a 32 con respecto al módulo compresor 200 se dispondrán como en el módulo de turbina 100, la función y modo de funcionamiento de las características se configuran para proporcionar la función de compresión y enfriamiento como se describe en relación con el módulo compresor 200 ejemplo de la Figura 12.
El propósito del difusor es ralentizar el flujo de alta velocidad a la salida de una etapa del compresor, al tiempo que se elimina la gran energía del fluido de trabajo según sea posible. Esta característica permite que la disposición del compresor se aproxime a la compresión isotérmica. La eliminación del calor del fluido de trabajo a medida que aumenta la presión en el difusor aumenta la eficiencia del compresor como se describió anteriormente. Se requiere un mínimo de una sola etapa para lograr una eficiencia mejorada, pero muchos pueden usarse.
El módulo compresor de la presente descripción puede configurarse para almacenamiento y/o suministro de gas (es decir, aire), proporcionando una alternativa a los sistemas compresores convencionales en motores, máquinas y tuberías de mejora presentada, industria del proceso, etc.
La disposición de máquina se puede completar usando más de un único árbol. El compresor puede ser accionado independientemente de una fuente de alimentación externa, o accionado desde el árbol de turbina por una caja de engranajes, accionamiento de cinta, engranaje cónico o accionamiento de cadena. El componente de turbina o compresor también se puede dividir en dos o más máquinas diferentes. El árbol del compresor se puede unir al árbol de la turbina mediante un acoplamiento flexible.
El módulo de turbina y el módulo de compresor de la presente divulgación pueden aumentar la eficiencia térmica de un motor térmico en el que se incluyen sobre los sistemas disponibles actualmente y tiene requisitos reducidos para los sistemas de espacio y soporte sobre equipos de generación de energía convencionales que tienen una eficiencia térmica similar. Esto tiene el efecto de hacer que el equipo de la presente descripción sea más económico que las alternativas para la misma energía producida, dando una ventaja competitiva significativa.
El aparato de la presente descripción puede emplearse como maquinaria de velocidad constante para la producción de energía eléctrica (por ejemplo, donde se crea una fuente de calor para controlar una turbina). También puede usarse en maquinaria de velocidad constante para energía eléctrica mediante el uso de combustibles o fuentes de calor. También puede tener utilidad como maquinaria de velocidad variable para propulsión marina o maquinaria de solo turbina para extraer energía del gas comprimido.
Tanto la producción de energía eléctrica como las disposiciones de propulsión marina del aparato de la presente divulgación pueden proporcionar aplicaciones marítimas de beneficio al disminuir el consumo de combustible y, por lo tanto, aumentar el intervalo o rendimiento de los recipientes, minimizando la necesidad de tuberías de fluido de alta presión (haciendo un producto más seguro) y simplificando los sistemas de soporte requeridos para operar el equipo de propulsión (es decir, realizar un diseño más barato y más sencillo).
También puede encontrar aplicación en la producción de energía desde cualquier fuente de calor (como se describió anteriormente) que incluye centrales eléctricas comerciales, centrales eléctricas tradicionales de combustible fósil, estaciones de energía de ciclo combinado, energía geotérmica y aplicaciones de automoción.
La invención no está restringida a los detalles del o de los ejemplos anteriores. La invención que define el alcance de protección se define únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un módulo compresor (200)
en donde el módulo compresor (200) define un conducto de flujo de fluido de trabajo (60) entre una entrada del módulo compresor (210) y una salida del módulo compresor (214) y está configurado para comprimir un fluido de trabajo (250) a medida que el fluido de trabajo pasa a lo largo del conducto de flujo de fluido de trabajo (60); y
el módulo compresor comprende:
un primer intercambiador de calor (37) y una etapa de rotor de compresor (24) cada una provista en el conducto de flujo de fluido de trabajo (60);
el primer intercambiador de calor (37) provisto en una serie de flujo entre la entrada del módulo compresor (210) y la etapa del rotor del compresor (24); y la etapa de compresor (24) se proporciona en serie de flujo entre el primer intercambiador de calor (37) y la salida del módulo compresor (214); el primer intercambiador de calor (37) definido por una pared (226) que tiene una superficie externa (282) que está situada en el conducto de flujo de fluido de trabajo (60);
una unidad disipadora de calor (236) que define una porción (240) del conducto de flujo de fluido de trabajo (60) en una serie de flujo entre la etapa de rotor del compresor (24) y la entrada del módulo compresor (210); en donde el primer intercambiador de calor (37) está en comunicación de transferencia de calor con la unidad disipadora de calor (236); y
el primer intercambiador de calor (37) está configurado de tal manera que es operable para transferir calor a la unidad disipadora de calor (236) del fluido de trabajo (250) que pasa por el primer intercambiador de calor (37);
un segundo intercambiador de calor (38) está situado en el conducto de flujo de fluido de trabajo (60) en una serie de flujo entre la etapa de rotor del compresor (24) y la salida del módulo compresor (214) en la unidad disipadora de calor, el segundo intercambiador de calor (38) definido por una pared (232) que tiene una superficie externa (283) que está ubicada en el conducto de flujo de fluido de trabajo (60); y
el segundo intercambiador de calor (38) está configurado de tal manera que es operable para transferir calor a la unidad disipadora de calor (236) del fluido de trabajo (250) que pasa por el segundo intercambiador de calor (38);
en donde la unidad disipadora de calor (236) define un paso de flujo de refrigerante (254) para la transferencia de un refrigerante (270); y
la pared (226) del primer intercambiador de calor (37) comprende una cavidad (280) que define parte del paso del flujo de refrigerante (254);
la pared (232) del segundo intercambiador de calor (38) comprende una cavidad (284) que define parte del paso del flujo de refrigerante (254);
la unidad disipadora de calor (236) define una primera entrada (286) al paso del flujo de refrigerante (254) y una salida (264) del paso del flujo de refrigerante (254);
la primera entrada (286) configurada para recibir el refrigerante (270) desde un disipador de calor (274); y
caracterizado por que la unidad disipadora de calor (236) define una segunda entrada (260) al paso de flujo de refrigerante (254),
la primera entrada (286) está separada de la segunda entrada (260) a lo largo de la longitud de la unidad disipadora de calor (236),
la salida (264) se proporciona entre la primera entrada (286) y la segunda entrada (260) a lo largo de la longitud de la unidad disipadora de calor (236),
tal que el refrigerante que entra en las entradas (260, 286) se expulsa a través de la salida (264).
2. Un módulo compresor (200) según la reivindicación 1, en donde el primer intercambiador de calor (37) se proporciona como una paleta de estator.
3. Un módulo compresor (200) según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde la unidad disipadora de calor (236) define un puerto de flujo (272) en comunicación fluida con el conducto de flujo de fluido de trabajo (60) y en serie de flujo entre el primer intercambiador de calor (37) y la entrada del módulo compresor (210).
4. Un módulo compresor (200) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el paso de flujo de refrigerante (254) comprende una porción (244) que se extiende adyacente a la porción (240) del conducto de flujo de fluido de trabajo (60) a medida que se extiende a lo largo/a través de la unidad disipadora de calor (236), el cuerpo de la unidad disipadora de calor (236) que define la porción de conducto de flujo de fluido de trabajo (240) y la porción de paso de flujo de refrigerante (244) está configurado de tal manera que es operable para transferir calor al refrigerante (270) desde el fluido de trabajo (250).
5. Un módulo compresor (200) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se proporciona un miembro deflector de flujo (268) en la cavidad del intercambiador de calor (280).
6. Un módulo compresor (200) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el paso de flujo de refrigerante (254) se aísla del conducto de flujo de fluido de trabajo (60) de manera que el refrigerante (270) no entra en contacto directo con el fluido de trabajo (250).
7. Un módulo compresor (200) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la etapa del compresor comprende:
una pluralidad de primeros intercambiadores de calor (37);
una pluralidad de segundos intercambiadores de calor (38).
8. Un módulo compresor (200) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la etapa del rotor del compresor (24) se transporta en un árbol (25), la etapa del rotor (24) y el árbol (25) pueden girar juntos alrededor del primer eje de rotación (288).
9. Un conjunto de compresor (290) que comprende múltiples módulos (de compresor 200) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 alineados en secuencia tal que el conducto de flujo de fluido de trabajo (60) se extiende desde la entrada (210) del primer módulo en la secuencia a la salida (214) del último módulo de la secuencia.
10. Un aparato termodinámico (300) que comprende un módulo compresor (200) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 o un conjunto compresor como se reivindica en la reivindicación 9.
11. Un aparato termodinámico (300) como se reivindicó en la reivindicación 10, que comprende
un módulo de turbina (100) para un motor térmico (104)
en donde el módulo de turbina (100) define un conducto de flujo de fluido de trabajo (60) entre una entrada de módulo de turbina (110) y una salida de módulo de turbina (114) y está configurado para expandir un fluido de trabajo (150) a medida que el fluido de trabajo pasa a lo largo del conducto de flujo de fluido de trabajo (60); y
el módulo de turbina comprende:
un primer intercambiador de calor (37) y una etapa de rotor de turbina (24) cada uno provisto en el conducto de flujo de fluido de trabajo (60);
el primer intercambiador de calor (37) provisto en una serie de flujo entre la entrada (110) del módulo de turbina y la etapa del rotor de turbina (24); y la etapa de turbina (24) se proporciona en serie de flujo entre el primer intercambiador de calor (37) y la salida del módulo de turbina (114);
el primer intercambiador de calor (37) definido por una pared (126) que tiene una superficie externa (183)
que está situada en el conducto de flujo de fluido de trabajo (60);
una unidad de suministro de calor (136) que define una porción (140) del conducto de flujo de fluido de trabajo (60) en una serie de flujo entre la etapa de rotor de turbina (24) y la salida del módulo de turbina (114);
en donde el primer intercambiador de calor (37) está en comunicación de transferencia de calor con la unidad de suministro de calor (136), y
el primer intercambiador de calor (37) está configurado de tal manera que es operable para transferir calor recibido desde la unidad de suministro de calor (136) al fluido de trabajo (150) que pasa por el primer intercambiador de calor (37).
ES19790716T 2018-10-12 2019-10-09 Módulo compresor Active ES2953295T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1816625.6A GB2578095B (en) 2018-10-12 2018-10-12 Compressor Module
PCT/GB2019/052860 WO2020074892A1 (en) 2018-10-12 2019-10-09 Compressor module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2953295T3 true ES2953295T3 (es) 2023-11-10

Family

ID=64395015

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES19790716T Active ES2953295T3 (es) 2018-10-12 2019-10-09 Módulo compresor

Country Status (6)

Country Link
US (1) US12078113B2 (es)
EP (1) EP3850221B1 (es)
ES (1) ES2953295T3 (es)
GB (1) GB2578095B (es)
PL (1) PL3850221T3 (es)
WO (1) WO2020074892A1 (es)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2573131A (en) * 2018-04-25 2019-10-30 Hieta Tech Limited Combined heat and power system
GB2577932B (en) 2018-10-12 2022-09-07 Bae Systems Plc Turbine module
GB2578095B (en) 2018-10-12 2022-08-24 Bae Systems Plc Compressor Module
US11346244B2 (en) * 2019-05-02 2022-05-31 Raytheon Technologies Corporation Heat transfer augmentation feature
RU2770077C1 (ru) * 2020-11-11 2022-04-14 Владимир Константинович Литвинов Способ работы двухконтурного газотурбинного двигателя и двухконтурный газотурбинный двигатель
CN114542486B (zh) * 2022-03-01 2023-10-03 江苏海拓宾未来工业科技集团有限公司 一种具有耐蚀抗菌功能的磁悬浮离心压缩机

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH663447A5 (de) * 1984-05-16 1987-12-15 Escher Wyss Ag Turbomaschine mit wenigstens einem radial durchstroemten laufrad.
JP3353259B2 (ja) 1994-01-25 2002-12-03 謙三 星野 タ−ビン
JP3426881B2 (ja) * 1996-12-05 2003-07-14 三菱重工業株式会社 ガスタービン翼
CN1313713C (zh) 2005-04-19 2007-05-02 北京世纪源博科技有限责任公司 机内除湿再热的多级冲动式汽轮机
US20080264062A1 (en) 2007-04-26 2008-10-30 Prueitt Melvin L Isothermal power
DE102009043720A1 (de) 2009-09-30 2011-04-07 Andreas Gotter Carnotisierter Rankineprozess für Solarthermische Kraftwerke
US8814509B2 (en) * 2010-09-09 2014-08-26 Dresser-Rand Company Internally-cooled centrifugal compressor with cooling jacket formed in the diaphragm
US20130239542A1 (en) * 2012-03-16 2013-09-19 United Technologies Corporation Structures and methods for intercooling aircraft gas turbine engines
GB2515961B (en) 2012-04-05 2018-06-27 Snecma Stator vane formed by a set of vane parts
US9234480B2 (en) * 2012-07-04 2016-01-12 Kairama Inc. Isothermal machines, systems and methods
US9353687B1 (en) 2012-10-18 2016-05-31 Florida Turbine Technologies, Inc. Gas turbine engine with liquid metal cooling
US10584721B2 (en) 2013-02-27 2020-03-10 Dresser-Rand Company Method of construction for internally cooled diaphragms for centrifugal compressor
EP2990662B1 (en) * 2014-08-28 2017-06-14 Nuovo Pignone S.r.l. Centrifugal compressors with integrated intercooling
EP3259480B1 (en) 2015-02-17 2025-07-09 Siemens Energy, Inc. Internally-cooled compressor diaphragm
US10196932B2 (en) 2015-12-08 2019-02-05 General Electric Company OGV heat exchangers networked in parallel and serial flow
US10359055B2 (en) * 2017-02-10 2019-07-23 Carnot Compression, Llc Energy recovery-recycling turbine integrated with a capillary tube gas compressor
CN107023317A (zh) 2017-05-25 2017-08-08 华能国际电力股份有限公司 一种再热式多级轴流透平及其工作方法
US11078795B2 (en) 2017-11-16 2021-08-03 General Electric Company OGV electroformed heat exchangers
CN207960696U (zh) 2018-03-06 2018-10-12 西安热工研究院有限公司 一种汽轮机微再热过程及实施系统
GB2577932B (en) 2018-10-12 2022-09-07 Bae Systems Plc Turbine module
GB2578095B (en) 2018-10-12 2022-08-24 Bae Systems Plc Compressor Module

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020074892A1 (en) 2020-04-16
EP3850221B1 (en) 2023-06-14
GB2578095B (en) 2022-08-24
US12078113B2 (en) 2024-09-03
PL3850221T3 (pl) 2023-10-16
US20210388730A1 (en) 2021-12-16
EP3850221A1 (en) 2021-07-21
GB201816625D0 (en) 2018-11-28
GB2578095A (en) 2020-04-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2953295T3 (es) Módulo compresor
US11143106B2 (en) Combustion section heat transfer system for a propulsion system
US11946416B2 (en) Heat exchanger integration
ES2770713T3 (es) Conjunto de motor con motor combinado y escape de refrigeración
ES2727198T3 (es) Conjunto de motor con carcasa de soporte de turbina
CN110081461A (zh) 用于径向管状换热器的方法及系统
US10774874B2 (en) Fluid bearing assembly
CN108138654A (zh) 具有组合的发动机和冷却排气的涡轮螺旋桨发动机组件
CN107532519A (zh) 具有偏移涡轮机轴、发动机轴和入口导管的复合发动机组件
US11434776B2 (en) Turbine module
US6422020B1 (en) Cast heat exchanger system for gas turbine
US12104529B2 (en) Thermodynamic apparatus
US1887717A (en) Combustion turbine
JP7506232B2 (ja) 昇圧装置、二酸化炭素サイクルプラント及びコンバインドサイクルプラント
US3201941A (en) Assembly of turbomachines
EP3885540A1 (en) Thermodynamic apparatus
GB2593531A (en) Thermodynamic apparatus
US20020017099A1 (en) Thermal engine
RU2799744C1 (ru) Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла природных источников
EP3205817A1 (en) Fluid cooled rotor for a gas turbine
GB2576882A (en) Charge air cooling unit for a two-staged turbocharger